一種醫(yī)用光電檢測前置放大電路設(shè)計

　　摘要：本文介紹了一種采用ADI公司的AD8034型FET輸入運算放大器搭建的高頻醫(yī)用光電檢測前置放大電路，重點介紹了光電傳感器的偏置保護、信號帶寬補償和I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方法，具有良好的噪聲性能，滿足醫(yī)用儀器光電信號檢測需要。

　　引言

　　在用于臨床檢驗科室的醫(yī)用體外診斷設(shè)備中，大量應用光學信號的變化來分析血液、尿液和腦脊液等體液成分，因此光電檢測電路設(shè)計被廣泛應用于該類設(shè)備。醫(yī)用光電檢測電路根據(jù)光學信號變化情況可以分為兩大類，第一類是用于檢測近似靜止或者光學信號的緩慢變化，如應用比色法進行檢測的生化分析儀和血凝儀等的低頻光電檢測電路，第二類是用于檢測光學信號的快速變化，如用于血液細胞分析儀和流式細胞儀的高頻光電檢測電路。

　　本文介紹一種用于上文中第二類光學信號檢測的高頻光電檢測模擬電路設(shè)計，該前置放大電路作為一個獨立PCB板設(shè)計，封裝為用于光電轉(zhuǎn)換的前置放大器，整個系統(tǒng)的電氣性能主要由該模塊決定。本設(shè)計的檢測對象是波長為535nm附近的綠光信號，該信號是由快速經(jīng)過光照區(qū)的細胞所引發(fā)的散射光信號，根據(jù)細胞經(jīng)過光照區(qū)的速度，散射光信號變化頻率在1MHz~1.8MHz之間。

　　1 系統(tǒng)方案

　　由于散射光信號的光功率很低，為了減少信號轉(zhuǎn)換中引入的干擾，同時適合醫(yī)用設(shè)備的光學應用場景，本設(shè)計采用了傳感器偏置模塊、帶寬補償模塊、I/V轉(zhuǎn)換模塊和信號調(diào)理輸出模塊的系統(tǒng)設(shè)計方案，如圖1所示實現(xiàn)完整的光學檢測前置放大電路設(shè)計。

　　前置放大電路包含光電轉(zhuǎn)換傳感器、帶寬補償電路、I/V轉(zhuǎn)換電路和信號調(diào)理電路，將光信號轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號輸出給后續(xù)儀器處理電路，該光電檢測電路封裝為用于光電轉(zhuǎn)換的前置放大器，本文重點介紹該電路的設(shè)計實現(xiàn)。

　　2 傳感器偏置設(shè)計

　　前置放大模塊的電路性能是本設(shè)計的關(guān)鍵，需精心進行設(shè)計和調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)光信號特點，選用日本濱松公司的S1223型光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換傳感器。S1223的有效接收面積為2.4mm×3.6mm，工作在10V以上偏置電壓的條件下，可以提供25MHz的信號頻率響應，在400~1000nm波長范圍內(nèi)具有良好的光電轉(zhuǎn)換性能，能夠滿足光信號轉(zhuǎn)換的要求。

　　如圖3光電二極管S1223使用VB=-12V偏置，為了防止電流過大損壞光電二極管，反偏電路中加入了20kΩ的限流電阻，此時的反偏電壓不小于10V，由圖2可知S1223中存在約50pA暗電流，通過I/V轉(zhuǎn)換之后產(chǎn)生的電壓在uV級水平，對電路性能沒有影響。

　　3 帶寬補償設(shè)計

　　由于引入限流電阻將導致電路在高頻信號下，光電流大部分以電荷形式儲存在光電二極管的結(jié)電容中，流出的電流很小，簡單說就是造成信號帶寬下降，具體如下式所示：

　　其中R是限流電阻，Cs是光電二極管結(jié)電容，If為流過I/V級反饋支路的有效電流，Is是光電二極管產(chǎn)生的光電流。因此由圖2可知在電路反向偏置約10V情況下，S1223的結(jié)電容為Cs=20pF，對于20kΩ的限流電阻，那么-3dB信號帶寬f0只有400kHz。為此需要對帶寬進行補償設(shè)計，反偏及補償電路設(shè)計如下。

　　帶寬補償電路的設(shè)計思路是降低高頻時限流電阻的等效阻抗。如圖4，對于電容C1，其右端為運放“虛地”，交流時等同和限流電阻并聯(lián)，所以

　　其中C1=0.1μF。當C1>>Cs時(一般10倍以上)，就可以保證光電流基本無損的經(jīng)過后續(xù)I/V轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)帶寬補償。